Становлення агрохімії як науки від Карла Шпренгеля до Юстуса Лібіха

Першим, хто правильно встановив закони живлення і застосування добрив у сільському господарстві, був німецький агрохімік Карл Шпренгель (1787–1849). К. Шпренгель опублікував свої погляди на живлення рослин у працях: "Die Boden Kunde" (1837), "Die Lehre fon den Urbarmachungen" (1838), "Die Lehre von Dünger" (1839). Про його погляди можна судити за такими прикладами. "Рослини з неорганічних речовин, що отримуються ними з ґрунту і повітря, утворюють тіла органічні за допомогою світла, тепла, електрики і вологи", – пише він у своїй книзі "Учення про добриво". Йому було відомо і те, що деякі мінеральні речовини необхідні для утворення білкових тіл у рослині; так він говорить про постійну присутність фосфору в клейковині, проводить паралель із тваринами, у яких мозок постійно містить фосфор. Вважаючи солі необхідними для життєдіяльності рослин і знаючи їхнє походження з ґрунту, К. Шпренгель дійшов висновку про пояснення падіння врожаїв при безперервній культурі та необхідності повернення мінеральних речовин ґрунту. "Повітря залишається завжди однаковим за своїм складом, але не можна того ж сказати про ґрунт; тому необхідне відшкодування втраченого ним, причому потрібно звертати більше уваги на так звані мінеральні речовини, ніж на кисень, вуглець і водень, оскільки ці останні рослини знаходять у повітрі; що ж стосується азоту, то він має бути також внесений у зв'язаній формі, оскільки більшість рослин не має здатності притягувати достатньо азоту листками з повітря". Говорячи про окремі добривні речовини, К. Шпренгель завжди керується їхнім хімічним складом, причому особлива увага звернена на ті поживні речовини, яких мало в ґрунті. Таким чином, ми бачимо у К. Шпренгеля те саме вчення про значення мінеральних речовин і необхідність повернення їх. Лише в одному пункті він сходиться з гумусовою теорією і розходиться з Ю. Лібіхом: К. Шпренгель, вважаючи головним джерелом вуглецю в рослинах вуглекислоту повітря, не заперечує все ж одночасного використання перегною ґрунту корінням. Попри оригінальність своїх поглядів щодо живлення рослин і численні публікації з цього питання, К. Шпренгель не справив помітного впливу на практику.

Розробка нового вчення про живлення рослин і його практичне застосування, яке відбувалося паралельно із введенням мінеральних добрив, є найбільшою заслугою видатного німецького хіміка, іноземного члена-кореспондента Петербурзької академії наук (1830) Юстуса Лібіха (1803–1873), якого по праву вважають одним із засновників агрохімії як самостійної науки. Він показав, що хімічні елементи надходять у рослини двома шляхами: одні, як вуглець, із повітря, інші у вигляді водних розчинів із ґрунту. Ю. Лібіх провів широкі дослідження, послідовно визначивши склад ґрунтів і вміст мінеральних речовин у різних органах рослин. По суті, він першим експериментально довів, що рослини вибірково поглинають із ґрунту хімічні елементи. На підставі цього відкриття Ю. Лібіх розробив широко відому теорію мінерального живлення рослин, що сприяла впровадженню мінеральних добрив у землеробство. Він першим правильно вказав на доцільність повернення ґрунту мінеральних речовин, зокрема фосфору, і на його виснаження при монокультурі. В остаточному вигляді теорія мінерального живлення сформульована і викладена в його знаменитій книзі "Хімія в застосуванні до землеробства і фізіології". Про те, який резонанс отримала ця книга в науковому світі, повідомляє Е. Рассел (1955). Він пише, що у 1830-1840 рр. агрономічна хімія не привертала великої уваги. Однак у 1840 р. знаменитий звіт Ю. Лібіха про стан органічної хімії під назвою "Хімія в застосуванні до землеробства і фізіології" справив у світі науки враження, подібне до грому при ясному небі. У своїй праці Ю. Лібіх спростував гумусову теорію живлення рослин. Він стверджував, що рослини мають невичерпний запас вуглекислоти в повітрі. Якщо вуглекислота міститься в ґрунті, то на ранній стадії росту рослини економиться час, оскільки вона надходить у коріння рослини і служить лише додатковим джерелом тому, що поглинає ще не повністю сформований фотосинтетичний апарат. Ю. Лібіху, який першим гідно оцінив роль фосфору і калію в житті рослин, належать справді крилаті слова: "Без цих двох елементів не може бути родючості наших полів". Йому спала тоді на думку фантастична для тих часів думка, що потрібно удобрювати поля, необхідно штучно вносити в них різні солі калію, азоту, фосфору, розрахувавши, скільки їх потрібно для того, щоб рослина могла їх використовувати. Ця ідея, як зазначає О.Є. Ферсман, була зустрінута з недовірою спеціалістами-аграрниками 40-50-х рр. XIX ст. Його спроба включити в агротехніку чилійську селітру не увінчалася успіхом, а привезений на вітрильних суднах із Південної Америки вантаж цієї солі, через свою дорожнечу, не знайшов покупців і був викинутий у море. Джерела фосфору тоді не були відомі, а запропонований Ю. Лібіхом розмел кісток давав також занадто дорогі добрива. У той час не знали, як використовувати і калій, і тільки зрідка, збираючи золу рослин, розсівали її полями.

Ю. Лібіх вважав, що здатність орного шару ґрунту вилучати з відповідних розчинів аміак, калій, фосфорну та кремнієву кислоти має свою межу, що залежить від властивостей, притаманних кожному виду ґрунту. Коливання адсорбованих кількостей, казав Ю. Лібіх, настільки ж великі, як великі відмінності між окремими видами ґрунтів. У цій тезі ми маємо геніальне передбачення того, що через 60 років дала агрохімії теорія К.К. Гедройца про ґрунтовий поглинальний комплекс. Аналітична майстерність, широта і глибина поглядів Ю. Лібіха на живлення рослин підкорюють і сучасного читача його праці. Він писав: "Будь-який ґрунт лише в тому випадку може вважатися цілком родючим для того чи іншого виду рослин, скажімо для пшениці, якщо кожна з частинок його, стикаючись з корінням, містить усі необхідні поживні речовини і притому в такій формі, яка дозволяє корінням засвоювати ці речовини на будь-якому етапі розвитку рослини, в належний час і в належному їхньому взаємному співвідношенні". У цих словах Ю. Лібіха ми бачимо передбачення ідеї про різні сполуки елементів живлення в ґрунті, про значення умов живлення і співвідношення між елементами живлення за фазами вегетації рослин, що було доведено лише багато років по тому. Якщо його праці розглядати з позицій сучасної науки, то в них містяться досить повні та достовірні відомості про роль асиміляційного апарату рослини, сидерацію, співвідношення елементів живлення, "інтенсивну культуру" та визначення поняття "добриво". Ю. Лібіх стояв біля витоків відкриття основних законів землеробства, насамперед "Закону мінімуму" і "Закону повернення речовин у ґрунт".

Попри прогресивність і оригінальність, теорія мінерального живлення Ю. Лібіха мала і свої недоліки. Вона потребувала доповнення, уточнення і конкретизації наукових фактів. Прикладом може послужити трансформація його поглядів щодо азотних добрив. Збільшення кількості азоту в лучних ґрунтах, які удобрювали тільки лугами і фосфатами, а також постійна родючість деяких полів Віргінії та Угорщини, лугів Голландії послужило тому, що він усе більшою мірою став вважати атмосферу джерелом азоту для рослин. Тому деякі розділи першого і другого видань, де підкреслювалася необхідність внесення аміачних добрив, були виключені ним із пізніших видань. А.М. Енгельгардт (1863) у своїй рецензії на книгу Ю. Лібіха "Хімія в додатку до землеробства і фізіології" писав: "Ця книга повинна бути настільною книгою кожного сільського господаря, який бажає раціонально, а не за рутиною займатися своєю благородною справою; ... її з інтересом і користю прочитає всякий, хто бажає познайомитися з умовами живлення рослин, і з основними законами землеробства. Написана вона загальнодоступно, що її може читати всяка освічена людина". Оцінюючи науковий внесок Ю. Лібіха в агрономічну науку, Д.М. Прянішніков указував на величезне значення його ідеї про мінеральне живлення рослин, але підкреслював, що для проведення її в життя знадобилося багато часу.

У гарячій полеміці з Д.Б. Лоозом, як представником емпіричного напряму в розвитку англійського сільського господарства, Ю. Лібіх указував, що землеробам потрібні не тільки факти, а й їхнє наукове розуміння. Сьогодні з великою впевненістю можна сказати, що повною мірою виправдалися прозорливі слова Ю. Лібіха, сказані ще в 1840 р.: "Прийде час, коли кожне поле відповідно до рослини, яку на ньому мають намір вирощувати, буде удобрюватися властивим добривом, приготованим на хімічних заводах, тоді добриво буде складатися тільки з тих речовин, які потрібні для живлення рослини".

Велику роль у розробці теорії азотного живлення рослин відіграв французький агрохімік Жан Батист Буссенго (1802–1887), який експериментально довів, що рослини не можуть харчуватися тільки атмосферним азотом, їм потрібен азот ґрунту. Для цього в 1851 р. він вирощував рослини під скляним ковпаком і в скляній шафі з припливом повітря, очищеного від азоту. При цьому з'ясувалося, що рослини нормально розвиваються без азоту повітря і вільний азот ними не поглинається. Він прийшов до висновку, що азот необхідний рослинам так само, як і інші елементи живлення, і що потреба рослин у цьому елементі задовольняється за рахунок ґрунту. В іншому досліді, проведеному Ж.Б. Буссенго, азот, внесений у ґрунт у вигляді нітратів, давав урожаї, що зростали пропорційно кількості внесених нітратів. Користуючись даними лабораторних і польових дослідів над рослинами, учений довів, що гній і зола з гною за своїми поживними властивостями не одне й те саме, і що азот при спалюванні гною з нього випаровується. Ж.Б. Буссенго також установив, що азот у ґрунті може бути як у засвоюваних, так і в незасвоюваних формах. Це не має значення для хіміка, але небайдуже для рослин.

Ж.Б. Буссенго належить пріоритет у відкритті дії селітри на урожай. Будучи в Перу, він підмітив, що на безплідних піщаних ґрунтах цієї країни внесення невеликої кількості гуано (продукт розкладання пташиного посліду в умовах сухого клімату) дозволяє отримувати досить високий урожай кукурудзи. При хімічному аналізі з'ясувалося, що гуано складається переважно з аміачних солей. Народилася здогадка, що саме ці солі й надають родючості піщаному ґрунту. Коли аналізи та досліди підтвердили це, вчений зробив наступний важливий висновок: "Єдиними реагентами, здатними діяти безпосередньо на рослину шляхом постачання азоту організму, є нітрати й аміачні солі, що або існують раніше в ґрунті, або утворюються в продовження культури".

Різниця в споживанні азоту бобовими та злаковими рослинами визначає стратегію застосування добрив. Усі культури, за винятком бобових, забирають азот безпосередньо з ґрунту. На практиці найбільш ефективними виявляються ті добрива, які максимально багаті на азот. Чим вищий винос цього елемента культурою, тим сильніше виснажується поле.

При складанні схеми живлення важливо враховувати взаємодію елементів. Фосфат кальцію, лужні та лужноземельні солі допомагають розвитку рослин лише при спільному внесенні з джерелом засвоюваного азоту. Повним добривом виступає суміш селітри з фосфатом кальцію і лужними солями, тоді як атмосферний азот засвоюється в занадто малій кількості.

Баланс елементів і кругообіг речовин у землеробстві

Основою для сучасної практичної агрономії став вегетаційний метод досліджень. Він дозволив детально вивчити кругообіг речовин у землеробстві. Головним завданням агрохімії стало управління хімічними процесами в ґрунті та рослинах для підвищення врожаю і зміни його складу. За допомогою точних методів хімічного аналізу вчені вперше отримали інструмент для розрахунку балансу поживних елементів.

У фізіології рослин фундаментальним відкриттям стало доведення повітряного живлення автотрофних культур. Джерелом вуглецю для них слугує вуглекислий газ повітря, а не ґрунтовий перегній. Вивчення газообміну рослин дозволило в 1840 році вивести загальне рівняння фотосинтезу, яке застосовується і сьогодні. Підсумком цих багаторічних досліджень стали дві капітальні праці, що об'єднали знання з хімії, фізики, метеорології та фізіології рослин.

6CO₂ + 6H₂O —^hν→ C₆H₁₂O₆ + 6O₂

• Виведення рівняння фотосинтезу — 1840 р.
• Праця «Польове господарство у світлі хімії, фізики та метеорології» — 2 томи (1851 р.)
• Праця «Агрономія, землеробська хімія та фізіологія» — 7 томів (1860–1864 рр.)